全焊接管线球阀阀体材料的选择与质量控制.pdf

靛管羧恭 石油化工设计 Petrochemical Design 2012，29(2)40～42 全焊接管线球阀阀体材料的选择与质量控制 粱连金 (上海开维喜阀门集1ti有限公司，上海201416) 摘要：介绍全焊接管线球阀苛刻的使用工况，提出了全焊接管线球阀阀体材料选择原则。全焊接管 线球阀阀体材料考虑强度同时还需考虑可焊性，为了满足全焊接管线球阀焊接要求，增加焊接接头的韧 性储备，需对化学成分、含碳量、碳当量、锰含量、微量元素P、S、钢材的冶炼过程、材料的屈强比、低温冲击 韧性和硬度等进行特别控制。同时，提出了锻件的表面质量要求、锻件的试验方法和检验规则，使全焊接 管线球阀阀体材料满足免焊后热处理要求。 关键词：全焊接管线球阀 阀体材料质量控制检验 管道输送经过近百年的发展已形成全球性跨 国管网，这是人类赖以生存的能源供给系统。这 一系统从北极圈至赤道，从高山至海底，从高原到 沙漠，其间穿越地震带、沼泽地、江河、湖泊、山坡。 有架设的也有直埋地下的，在野外远距离遥控操 作，维修困难，要求30年以上使用寿命。输送的天然 气含硫，焊渣，铁锈等杂质，出厂时要求“零”泄漏，这 些苛刻要求已成为全球性共识的采购规范。 管线球阀的阀体是一个承压部件，其压力边 界除了承压内部介质的压力之外，尚需承受外部 载荷，如地基沉降、山体滑坡、洪水、泥石流、地震 等自然灾害引起的弯曲载荷；以及由于昼夜温度 变化，冬夏季节性温度变化引起的拉伸和压缩载 荷。在寒冷及冰冻地区应考虑材料的低温冲击韧 性，防止低温脆裂。因此，管线球阀阀体材料的选 择是否正确及质量控制是否到位决定阀门是否能 够满足苛刻工况要求。 1 阀体材料的选择与质量控制 管线球阀的阀体设计分为分体式阀体和全焊 接阀体设计。分体式结构一般由阀体、左、右两个 副体组成。阀体与副体采用螺栓连接，且阀体与 副体面对面接触，中间无间隙。分体式阀体材料 的选择与质量控制与一般球阀无太大区别，主要 是阀体的壁厚设计需考虑30年的腐蚀余量，在此 不详细叙述。管线球阀的全焊接阀体又分为圆筒 状和球形两种基本结构。圆筒状焊接阀体如图1 所示，主阀体与副阀体由两条各自独立、互不相交 的环焊缝焊接成一个完整圆筒状阀体。球形焊接 阀体如图2所示，左右对称的主阀体由主焊缝焊 接成一个球形焊接组件。它与上下对称的阀颈由 二条环形焊缝焊接成一个完整球形阀体。全焊接 阀体的焊接接头一般均设计为窄间隙厚壁埋弧 焊，例如NPS48 Class900的球状全焊接管线球阀， 焊接壁厚为140 mm j。焊接又是该产品组装后 的最后一道工序，阀腔内有非金属密封材料防爆 氟橡胶，不能进行焊后热处理。因此对于全焊接 管线球阀阀体材料的选择和质量控制提出了很高 的要求。 1．1阀体材料的选择 管线球阀的阀体通常选用ASTM A105、ASTM A350 LF2、ASTM A515 70、ASTM A516 70等 。 图1圆筒状焊接阀体 收稿日期：2012—03—19。 作者简介：梁连金，男，2001年毕业于南京理工大学机 电一体化专业，工程师，现从事大口径长输管线球阀、 硬密封球阀、超硬合金涂层的设计和研究工作，已发 表论文8篇。联系电话：021—57491l11；E—mail： shkvcllj@163．eom 第29卷 梁连金．全焊接管线球阀阀体材料的选择与质量控制 ‘4l· 图2球形焊接阀体 ASTM A105、ASTM A350 LF2常用于锻压成型， ASTM A515 70、ASTM A516 70常用于板材模压成 型。当使用温度达到一29℃以上时，选用ASTM A105和ASTM A515 Grade70。当使用温度达到一 29℃以下时，选用ASTM A350 LF2和ASTM A516 Grade 70。根据对国外供货商管线球阀材料使用 的检索发现，部份阀门公司采用ASTM A694 F52 或F60作为阀体或过渡段材料。但ASME B16．34 材料表中无ASTM A694材料，也无ASTM A694材 料的压力一温度额定值 。而且ASTM A694材 料标准并未被ASME B31．8《输气和配气管道系 统》纳入引用规范附录A，而是归入于未引用规范 附录C。因此，笔者认为ASTM A694 F52或1760 不能作为管线球阀的阀体材料。 1．2质量控制 全焊接管线球阀阀体材料在考虑强度同时还 需考虑可焊性。为了满足全焊接管线球阀焊接要 求，增加焊接接头的韧性储备，阀体材料除了满足 ASME B16，34、API 6D及相关材料标准基本要求 外，还应高于标准来提高阀体材料的冲击韧性。 需对化学成分、含碳量、碳当量、锰含量、微量元素 P、S、钢材的冶炼过程、材料的屈强比、低温冲击韧 性和硬度等方面进行特别控制。 (1)化学成分要求。以ASTM A350 LF2为 例，全焊接阀体材料的化学成分见表1。 (2)机械性能指标。以ASTM A350 LF2为 例，全焊接阀体材料机械性能指标见表2。 表1全焊接阀体材料ASTM A350 LF2化学成分 含量，％ 元素 C 1 Mn P 1 S l Si I Cu I Ni 1 Cr 1 Mo 1 V 1 Nb 标准值 GO．3 J0．6～1．35 ≤0．035 l≤o．04}0．15～0．3 ≤0．4 l ≤o．4 l ≤0．3 I ≤o．12{ ≤o．08 I ≤o．02 控制值 ≤O．18{1．02～1．11 ≤O．02 1≤0．02 O．15～0．3 ≤O．4 ≤0．4 ≤O．3 ≤O．12 ≤O．08 ≤O．O2 注1：熔炉分析的铜、镍、铬、钒和钼，总量不能超过1．0o％，铬、钼的总量不能超过0．32％； 2：锻件含碳量20(一46℃) 控制值 485～655 250～320 ≥22 ≥3O ≤197 i>2o(一46℃ (3)锻造及热处理要求。锻件需用平炉、电炉 或纯氧顶吹转炉冶炼的镇静钢，初炼包括单独脱 气或精炼，然后使用电渣重熔或真空电弧重熔进 行再熔炼。钢应进行充分脱氧，细化晶粒操作。 切头(废料)应进行足够的切除，以确保去除有害 的气泡或过度的熔析。锻造比不应小于3，锻造过 程中应保证锻件通过相变温度时缓慢冷却，最终 成型后和加热进行热处理前应充分冷却至相变温 度温度以下。锻件锻后需进行热处理，热处理采 用正火加回火，正火温度(900±10)℃，回火温度 660—680℃。 (4)锻件表面质量要求：1)锻件表面不得有毛 细裂纹、结疤、层状断口、氧化皮、夹杂物、折皱、凹 点及凸点等缺陷存在；2)断面或断口上不得有层 状断口、亮区、白点及非金属夹杂等缺陷；3)不得 出现碳化物偏析、折迭、开裂、龟裂、堆积、脱碳、晶 粒粗大等有害缺陷；4)锻件不允许补焊。 1．3试验方法 (1)取样数量。每1炉热处理锻件应取1组 试样(1个拉伸，3个冲击)，如果同炉热处理的锻 件包括2个以上熔炼炉号，则每1熔炉号都应取1 组试样(1个拉伸，3个冲击)。 (2)取样。试样应取在热处理后的成品锻件 上，试样纵长轴平行于锻件轧制时的最大延伸方 向。筒状主阀体锻件试件取样见图3(a)，筒状副 阀体锻件试件取样见图3(b)，球状阀体锻件试件 石油化工设计 第29卷 取样见图3(C)。 j 、 (a)主阀体取样 (b)副阀体取样 4 4 fc)球状体取样 图3筒状主、副阀体及球状阀体锻件试件取样示意 l一取样位置；2一锻件余量尺寸；3一零件最终尺寸； 4一钢印标记位置；卜壁厚 (3)拉伸试验方法按ASTM A370的规定进 行，试样制成标准圆形拉伸试样 ； (4)锻件硬度试验方法按ASTM A370的规定 进行； (5)锻件冲击试验方法按ASTM A370的规定 进行； (6)锻件超声波检测方法按ASTM A388的规 定进行 ]，NPS48 Class900全焊接管线球阀侧阀 体锻件超声波检测如图4所示。 图4 NPS48 Class900全焊接管线球阀 侧阀体锻件超声波检测 1．4检验规则 (1)全焊接阀体锻件检验项目和数目按表3 的规定。 (2)锻件硬度超出范围判定为不合格。 (3)低温冲击试样的冲击功值(一组三个试样 的算术平均值)应符合表2的规定，并不得有一个 以上的试样低于规定的平均值20 J，单个试样的 冲击功值不应小于16 J。 表3全焊接阀体锻件检验项目和数目 检验项目 检验数目 化学成分 逐件检查 硬度HB 逐件检查 表面质量 逐件检查 力学性能试验和冲击( 、O'S、8、 、Akv) 每炉一次 无损检测(超声波) 逐件检查 (4)超声波检测验收按ASME B16．34的要求 进行验收，验收标准是：1)直探头检验：如果显示 等于或超过在厚度等于缺陷深度的标正试样中直 径为6．4mm(0．25英寸)的平底孔所得到的显示， 则为不合格；2)斜探头检验：缺陷显示等于或超过 由试件中的长为25 mm(1英寸)、深度不大于公称 壁厚5％的60度V形缺口所得到的显示，则为不 合格。 2结语 全焊接管线球阀苛刻的使用工况，对阀体材 料的选择和质量控制提出了很高的要求。需对全 焊接管线球阀阀体材料的化学成分、含碳量、碳当 量、锰含量、微量元素P、S、钢材的冶炼过程、材料 的屈强比、低温冲击韧性和硬度等进行特别控制。 同时，需按质量控制要求和检验项目加以检验，使 全焊接管线球阀阀体材料满足免焊后热处理要 求。 参考文献： [1] 陆培文．阀门设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2007． [2] ASME Boiler and Pressure Vessel CodeⅡPart A Ferrous Material Specifications(2oto)[S]． [3]ASME B16．34—2009，法兰端，焊接端钢制阀门[s] [4]API 6D一2008，管线阀门[s]． [5] ASTM A370—201 l，Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products[S]． [6] ASTM A388—201 I，Standard Practice for Ultrasonic Examina— tion of Steel Forgings[S]